计算机建模与仿真第7章课件

1、第第7章章 MATLAB的仿真集成环境的仿真集成环境-SIMULINK金陵科技学院机电工程学院nMATLAB的SIMULINK是很有特色的仿真环境,在此环境中,用户可以用点击拖动鼠标的方式绘制和组织系统和电路,并完成仿真.在SIMULINK环境中,系统的函数和电路元器件的模型都用框图来表达,框图之间的连线表示了信号流动的方向.用户熟悉了模型库,就可以方便的进行系统和电路的仿真,而不必去记复杂的函数,这无疑是很实用的.7.1 SIMULINK的优点的优点金陵科技学院机电工程学院nSimulink可以搭建：l（1）通信系统物理层和数据链路层；l（2）动力学系统；l（3）控制系统；l（4）数字信号处

2、理系统；l（5）电力系统；l（6）生物系统；l（7）金融系统等。7.2 SIMULINK的应用的应用金陵科技学院机电工程学院7.3 SIMULINK的工作环境的工作环境simulink环境的进入和退出环境的进入和退出nsimulink的启动：l（1）在MATLAB的菜单栏上选择【File】，在下拉菜单中的【New】下选中【Model】l（2）在MATLAB的工具栏上点击按钮 ，然后在打开的模型库浏览窗口菜单上点击按纽 。l（3）在MATLAB的文本窗口中键入“simulink”后回车，然后在打开的模型库浏览窗口的菜单上点击按纽 。nsimulink的关闭：l关闭所有模型窗口和Simulink模

3、块库窗口即可金陵科技学院机电工程学院n在MATLAB的工具栏上点击按钮 ，即可打开模型库浏览器。7.3 SIMULINK的工作环境的工作环境模型库浏览器模型库浏览器金陵科技学院机电工程学院7.3 SIMULINK的工作环境的工作环境模型库浏览器模型库浏览器连续系统连续系统模块库模块库离散系统离散系统模块库模块库查询表格模块查询表格模块库库(插入和查询各种插入和查询各种表格表格)数学运算数学运算模块库模块库逻辑与逻辑与位运算位运算模块库模块库间断系统间断系统模块库模块库信号源信号源模块库模块库仪器仪表仪器仪表模块库模块库信号传输信号传输模块库模块库用户定用户定义函数义函数模块库模块库信号属性信号

4、属性模块库模块库金陵科技学院机电工程学院基本模块库Simulink 的基本模块库包括的基本模块库包括16个子模块库，个子模块库，常用的模块库常用的模块库: :n常用的模块子库（常用的模块子库（Commonly Used Blocks）n连续模块子库（连续模块子库（Continuous）n离散模块子库（离散模块子库（Discrete）n逻辑和位操作模块子库（逻辑和位操作模块子库（logic and bit operation）n查表函数模块子库（查表函数模块子库（lookup Tables）金陵科技学院机电工程学院n一般数学函数子库（一般数学函数子库（Math）n信宿模块子库（信宿模块子库（Si

5、nks）n信源模块子库信源模块子库(Sources) n用户定义的函数模块子库用户定义的函数模块子库(User_defined Functions) n端口与子系统端口与子系统(Ports & Subsystems)金陵科技学院机电工程学院常用模块的参数设置1 信号发生器信号发生器n信号发生器信号发生器(signal generator)是信源模块是信源模块子库子库SourcesSources中的模块，双击信号发生器模中的模块，双击信号发生器模块，会出现参数设置对话框。块，会出现参数设置对话框。n对话框的上半部分为参数说明对话框的上半部分为参数说明; ;下半部分设下半部分设置参数，置参

6、数，Wave form为信号类型，为信号类型，Time (t)为仿真时间或外部时间，为仿真时间或外部时间，Amplitude为信为信号幅值，号幅值，Frequency为频率。为频率。 金陵科技学院机电工程学院2 三角函数n三角函数三角函数(Trigonometric Function)(Trigonometric Function)是是数学函数子库数学函数子库MathMath中的一个模块中的一个模块, ,双击双击三角函数模块，会出现参数设置对话框。三角函数模块，会出现参数设置对话框。对话框的上半部分为参数说明，下半部对话框的上半部分为参数说明，下半部为参数设置，其中为参数设置，其中Functi

7、onFunction为可供选择为可供选择的三角函数的三角函数,Output signal type,Output signal type为自为自动、实数和复数。动、实数和复数。金陵科技学院机电工程学院3 数学函数n数学函数（数学函数（Math function）是数学函数是数学函数子库子库MathMath中的一个模块中的一个模块, ,双击双击Math function模块，会出现参数设置对话框。模块，会出现参数设置对话框。上半部分为参数说明，下半部分为参数上半部分为参数说明，下半部分为参数设置设置,其中其中FunctionFunction为可供选择的数学函为可供选择的数学函数数,Output

8、signal type,Output signal type为自动、实数和为自动、实数和复数。复数。金陵科技学院机电工程学院4 示波器n示波器示波器(Scope)是常用的模块子库中的模块，是常用的模块子库中的模块，用来接收输入信号并实时显示信号波形的曲用来接收输入信号并实时显示信号波形的曲线。线。n示波器的参数设置对话框有两页，其中示波器的参数设置对话框有两页，其中General 页可设置坐标轴数目页可设置坐标轴数目Number of axes，浮点显示，浮点显示floating scope，时间范围，时间范围Time range ，采样增益，采样增益Sampling；History 页可设置

9、数据点数页可设置数据点数Limit data points to last，是否保存到工作空间，是否保存到工作空间Save data to workspace。金陵科技学院机电工程学院n建模仿真的一般过程是：l打开一个空白的编辑窗口；l将模块库中模块复制到编辑窗口里，并依照给定的框图修改编辑窗口中模块的参数；l将各个模块按给定的框图连接起来；l设置仿真参数（确定仿真的步长、时间和仿真的算法等）；l用菜单选择或命令窗口键入命令进行仿真分析，在仿真的同时，可以观察仿真结果，如果发现有不正确的地方，可以停止仿真，对参数进行修正；l如果对结果满意，可以将模型保存。7.4 SIMULINK建模仿真步骤建

10、模仿真步骤金陵科技学院机电工程学院n例题：仿真一阶惯性环节W(s)=1/(0.1s+1),在单位阶跃给定下的响应.n解:(1)在SIMULINK的模型库中分别提取阶跃给定(step)、传递函数(Transfer Fcn)和示波器(Scope)3个模块,并连接组成仿真模型.7.4 SIMULINK建模仿真步骤建模仿真步骤金陵科技学院机电工程学院n(2)模块赋值:分别双击阶跃给定和传递函数两个模块,打开模块对话框,然后在框中设定参数.7.4 SIMULINK建模仿真步骤建模仿真步骤金陵科技学院机电工程学院n(3)设置模型仿真参数.在simulatiom菜单下用configuration param

11、eters命令打开仿真参数对话框.在对话框中设置开始时间0.8s和终止时间1.6s,其他参数保持默认值.7.4 SIMULINK建模仿真步骤建模仿真步骤金陵科技学院机电工程学院n(4)启动仿真并观察结果:在仿真参数设定完成后,点击按钮” ”启动仿真,然后双击示波器模型打开示波器观察图形.若观察不清楚,可点击” ”.调至合适的坐标轴.7.4 SIMULINK建模仿真步骤建模仿真步骤金陵科技学院机电工程学院n(5)保存模型:用”File”菜单下的”Save”命令或工具栏上的按钮” ”进行文件的保存,此时文件的后缀名为.mdl.7.4 SIMULINK建模仿真步骤建模仿真步骤金陵科技学院机电工程学院

12、n拖入模块：拖入模块：选中模块，按住鼠标左键不放拖到模块窗口n移动：移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳。n复制复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块。n删除：删除：选中模块，按Delete键即可。若要删除多个模块，可以使用Shift键。也可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除。7.5 模块的基本操作和使用模块的基本操作和使用金陵科技学院机电工程学院n转向：转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。选中模块后，在菜单Format中选择

13、Flip Block旋转180度(ctrl+i)，选择Rotate Block顺时针旋转90度(ctrl+r)。n改变大小：改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳即可。n模块命名：模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。名称在功能模块上的位置也可以变换180度，首先选中模块，然后用Format菜单中的Flip Name来实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。Hide Name可以隐藏模块名称。7.5 模块的基本操作和使用模块的基本操作和使用金陵科技学院机电工程学院n颜色设定：颜色设定：选中模块，Format菜单中的Foreground Color可以改变模块的

14、前景颜色，Background Color可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过Screen Color来改变。n参数设定：参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口。参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。（各个模块的参数设定均不相同，需要具体问题具体分析）7.5 模块的基本操作和使用模块的基本操作和使用金陵科技学院机电工程学院nSimulink线的处理lSIMULINK模型的构建是通过用线将各种功能模块进行连接而构成的。线的连接方法：将光标箭头指向模块的输出端，对准后，光标变成十字形，此时按下鼠标左键，拖拽十字形到另一个

15、模块的输入端后松开鼠标左键，在两个模块的输出和输入端之间就出现了带箭头的连线，并且箭头表示了信号的流向。7.5 模块的基本操作和使用模块的基本操作和使用金陵科技学院机电工程学院l线的折弯：线的折弯：按住Shift键，再用鼠标在要折弯的线处单击一下，就会出现圆圈，表示折点，利用折点就可以改变线的形状。l线的分支：线的分支：按住鼠标右键，在需要分支的地方拉出即可以。或者按住Ctrl键，并在要建立分支的地方用鼠标拉出即可。l线的删除：线的删除：选中线后按Delete键即可。l设定标签：设定标签：只要在线上双击鼠标，即可输入该线的说明标签。7.5 模块的基本操作和使用模块的基本操作和使用金陵科技学院机

16、电工程学院n示波器的使用和保存l双击示波器模块图标，即可弹出示波器的窗口画面，其上按钮相应的功能如下：7.5 模块的基本操作和使用模块的基本操作和使用打印打印示波器参数示波器参数区域放大区域放大X轴放大轴放大Y轴放大轴放大自动尺寸自动尺寸保存轴的设定保存轴的设定恢复轴的设定恢复轴的设定金陵科技学院机电工程学院l设定示波器参数7.5 模块的基本操作和使用模块的基本操作和使用改坐标轴数改坐标轴数(输输入信号端口数入信号端口数)时间范围时间范围(设设定定X轴最大值轴最大值)选择标选择标签贴放处签贴放处数据数据采样采样方式方式(默认默认)数据点数数据点数数据存入工作空间数据存入工作空间金陵科技学院机电

17、工程学院l设定坐标轴范围设定坐标轴范围:选中图形,点鼠标右键,在弹出的功能菜单中选择”axes properties”项,则可打开Y轴范围限制对话框,此时可重新设置Y轴范围,并可以给显示的信号命名.l图形缩放图形缩放:在示波器窗口有3个放大镜 ,分别用于图形的区域放大,X轴放大,Y轴放大.区域放大:点击 ,然后在需放大区域按下鼠标左键并斜向拖动,此时出现个矩形框,松开鼠标后,被矩形框,框住的部分被放大.X(Y)轴放大:点击 ( ) ,然后沿X (Y)轴方向点击鼠标左键即可. 7.5 模块的基本操作和使用模块的基本操作和使用金陵科技学院机电工程学院7.6 SIMULINK的仿真算法的仿真算法n在

18、SIMULINK仿真过程中选择合适的算法是很重要的,仿真算法是求常微分方程,传递函数,状态方程解的数值计算方法.这些方法主要有欧拉法(EULAR),阿达姆斯法(ADAMS),龙格-库塔法(Rung-kutta).这些算法都主要建立在泰勒级数的基础上.欧拉法是最早出现的一种数值计算的方法.它是数值计算的基础.它用矩形面积来近似积分计算.欧拉法比较简单,但精度不高.现在已经很少使用.阿达姆斯法是欧拉法的改进,它用梯形面积来近似积分计算.所以也称梯形法,梯形法每步都需要经过多次迭代,计算量较大.采用预报-矫正后只要迭代一次.计算量减少.但是计算时要用其他的算法计算开始的几步.龙格-库塔法是间接使用泰

19、勒级数展开式的方法,它在积分区间内多预报几个点的斜率.然后进行加权平衡.用做计算下一点的依据.从而构造了精度更高的数值积分计算方法.如果取两个点的斜率就是二阶龙格-库塔法,取四个点的斜率就是四阶龙格-库塔法.金陵科技学院机电工程学院7.6 SIMULINK的仿真算法的仿真算法n变步长模式解法器有：ode45，ode23，ode113，ode15s，ode23s，ode23t，ode23tb和discrete。lode45：缺省值，四/五阶龙格库塔法，适用于大多数连续或离散系统，但不适用于刚性（stiff）系统。它是单步解法器，也就是，在计算y(tn)时，它仅需要最近处理时刻的结果y(tn-1)

20、。一般来说，面对一个仿真问题最好是首先试试ode45。lode23：二/三阶龙格库塔法，它在误差限要求不高和求解的问题不太难的情况下，可能会比ode45更有效。也是一个单步解法器。lode113：是一种阶数可变的解法器，它在误差容许要求严格的情况下通常比ode45有效。ode113是一种多步解法器，也就是在计算当前时刻输出时，它需要以前多个时刻的解。金陵科技学院机电工程学院lode15s：是一种基于数字微分公式的解法器（NDFs）。也是一种多步解法器。适用于刚性系统，当用户估计要解决的问题是比较困难的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。lode23s：它是一

21、种单步解法器，专门应用于刚性系统，在弱误差允许下的效果好于ode15s。它能解决某些ode15s所不能有效解决的stiff问题。lode23t：是梯形规则的一种自由插值实现。这种解法器适用于求解适度stiff的问题而用户又需要一个无数字振荡的解法器的情况。lode23tb：是TR-BDF2的一种实现， TR-BDF2 是具有两个阶段的隐式龙格库塔公式。ldiscrtet：当Simulink检查到模型没有连续状态时使用它。7.6 SIMULINK的仿真算法的仿真算法金陵科技学院机电工程学院n固定步长模式解法器有：ode5，ode4，ode3，ode2，ode1和discrete。lode5：缺省

22、值，是ode45的固定步长版本，适用于大多数连续或离散系统，不适用于刚性系统。lode4：四阶龙格库塔法，具有一定的计算精度。lode3：固定步长的二/三阶龙格库塔法。lode2：改进的欧拉法。lode1：欧拉法。ldiscrete：是一个实现积分的固定步长解法器，它适合于离散无连续状态的系统。7.6 SIMULINK的仿真算法的仿真算法金陵科技学院机电工程学院n在仿真过程中,用户根据各种类型的模型特点,各种数值积分方法的计算特点和适用范围,才能正确地选择恰当的算法,而这一点往往是使用者难以掌握的,现在还没有一种对所有模型都适用的算法,一个简单的办法是当一个算法不能完成模型的计算时,选用另一种

23、算法试试,如果还不行,就对模型或参数作一定的修改.在电力电子电路仿真中,一般采用可变步长类算法.7.6 SIMULINK的仿真算法的仿真算法金陵科技学院机电工程学院7.7 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路步骤1:新建一个模型窗口,命名为danxiangbanbo步骤2:打开SIMULINK模型库 1)从simpowersystems中的elements库中复制series RLC branch至模型窗口. 2)从simpowersystems中的power electronics库复制detailed thyristor至模型窗口. 3)从simpowersystems中的measur

24、ements库复制两个voltage measurtment至模型窗口. 4)从simpowersystems中的electrical sources库复制AC voltage source至模型窗口. 5)从simulink中的sources库复制pulse generator至模型窗口. 6)从simulink中的sinks库复制scope至模型窗口. 7)从simulink中的signal routing库复制demux至模型窗口.金陵科技学院机电工程学院7.7 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路步骤3:将模型窗口中的模型做适当连接,得到想要的电路图如下:金陵科技学院机电工程学院7.7 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路步骤4:对series RLC branch、detailed thyristor、AC voltage source、pulse generator的模型参数做适当设置如下： 1）对series RLC branch模型，设R=1, L=0H, C=inf（电阻负载） 2）对detailed thyristor模型，设Ron=0.001, Lon=0H,Vf=0.8V,Ic=0A,Tq(关断时间)=0s，Rs=10. 3）对AC voltage source模型，幅值=